[发明专利]一种用于天文望远镜系统的光纤

说明书

本发明涉及一种用于天文望远镜系统的光纤，包括有芯层和包层，其特征是芯层半径为17.0～18.0μm，芯层折射率为阶跃型折射率分布，芯层相对折射率差Δ1％为0.29％～0.33％，紧邻芯层向外为包层，包层半径为52.0～53.0μm，相对折射率差Δ2％为0％。本发明的光纤波导结构能与天文望远镜系统较好匹配，具有较好的观测效率；采取芯层氟‑锗共掺设计，改善了在430～900nm波段Si‑O键结构的部分色芯缺陷，优化光纤在430～900nm的可见光及近红外波段的衰耗性能，尤其是在650nm波段具有较低的焦比退化；单层涂覆固化工艺，提高了光纤端头的几何精度。

技术领域

本发明涉及一种用于天文望远镜系统的阶跃型折射率分布光纤，该光纤在430～900nm的可见光及近红外波段有较低的衰耗性能。

背景技术

光纤在通信、传感和图像传输等领域里的应用越来越广泛，随着天文望远镜系统的发展，作为望远镜重要组成部分，光纤可以把望远镜得到的星像传到光谱分析仪中，因而也早已得到较广泛应用；特别是随着近年天文领域多目标光谱学、整场光谱学、光度学等的发展，单个望远镜匹配的光纤数由数百向数千根发展，光纤在望远镜系统的应用作为密排阵列使用，阵列光纤端头加工需要带涂层研磨处理，这对天文望远镜系统用光纤的涂层与端头几何精度提出了更高要求。

在天文望远镜系统里，光纤传输特性非常重要，如传输特性不好，系统的接收效率和分析精度都会大幅降低；衡量光纤传输质量的最主要因素有两个：一个是光纤的衰耗，还有一个就是光纤焦比退化特性。

光纤衰耗主要由两方面因素决定：一是制造光纤材料本身性质各种杂质种类和掺杂比例等因素；二是光纤波导结构设计以及使用波段。在通信领域，主要针对的是1000nm波段以上范围的光纤衰耗研究；而天文望远镜系统观测和使用的重要波段在430～900nm。

光纤焦比的定义为：F/#＝f/D；其中F代表焦比，#为对应焦比的数值；f是像面到光纤端面的距离，D是光斑的直径。光纤在理想情况下，输入焦比等于输出焦比，然而实际情况是出射光的焦比要比入射光的焦比要小，也就是说通过光纤传输后，光束更加发散，即为焦比退化(focal ratio degradation，FRD)。对于望远镜系统光谱仪而言，f/D固定，即光纤入射端f/D可控固定，则光纤输出要在适当范围保持较大的能量，而FRD效应会使系统接收孔径内的光束能量密度下降，从而影响天文望远镜的观测效率。图1为焦比以及焦比退化示意图。

在出射焦比测量时，以出射光斑内的能量占出射总能量比例值为界定来量取光斑直径D以及对应的光纤出射端面到光斑像面的直径f；一般的，以能量占比90％(EE90)和占比95％(EE95)为测量点来测量出射焦比。

目前应用于天文望远镜系统光纤的性能研究较少，所应用的光纤也较难实现上述主要性能的要求。

发明内容

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

芯层：居于光纤横截面的中心部分，是光纤的主要导光的区域；

包层：光纤横截面中紧邻芯层的环形区域；

相对折射率差:

n_i和n₀分别为各对应部分的折射率和纯二氧化硅石英玻璃的折射率；

氟(F)的贡献量：掺氟(F)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率(ΔF)，以此来表示掺氟(F)量；

锗(Ge)的贡献量：掺锗(Ge)石英玻璃相对于纯二氧化硅石英玻璃的相对折射率(ΔGe)，以此来表示掺锗(Ge)量；